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第二章 超声检测的物理基础 超声检测的物理基础 超声波是一种机械波,是机械振动在弹性介质中的传播。 该章主要涉及几何声学和物理声学的基本定律和概念。 几何声学:反射定律、折射定律、波形转换。 物理声学:波的叠加、干涉、衍射等 2.1 机械振动与机械波 2.1.1机械振动 物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动,称为机械振动. 振动产生的必要条件: 一是,物体一旦离开平衡位置,就会受到回复力的作用; 二是,阻力足够小。 全振动:物体受到一定力的作用,离开平衡位置,产生一个位移;该力消失后,在回复力的作用下,将向平衡位置移动,到达平衡位置时,它并没有停止,而是越过平衡位置运动到相反方向的最大位移;然后,再向平衡位置移动。 单摆的振动 比如: 钟摆的摆动, 水上浮标的浮动, 担物行走时扁担的颤动, 在微风中树梢的摇摆, 振动的音叉、锣、鼓、琴弦等都是机械振动。 振动的表征参数 周期、频率(振动的快慢),振幅(振动的强弱) 振幅A——振动物体离开平衡位置的最大距离,叫做振动的振幅,用A表示。 周期T——当物体作往复运动时完成一次全振动所需要的时间,称为振动周期,用T表示。常用单位为秒(s)。对于非周期性振动,往复运动已不再是周期性的,但周期这个物理量仍然可以反映这种运动的往复情况。 频率f——振动物体在单位时间内完成全振动的次数,称为振动频率,用f表示。常用单位为赫兹(Hz),1赫兹表示1秒钟内完成1次全振动,即1Hz 1次/秒。此外还有千赫(kHz),兆赫(MHz)。 由周期和频率的定义可知,二者互为倒数: 1、谐振动 1、谐振动 振子以O点为中心在水平杆方向做往复运动。振子由A点开始运动,经过O点运动到A’点,由C 点再经过O 点回到A 点,且OA 等于OA’ , 此后振子不停地重复这种往复运动。以上装置称为弹簧振子。 回复力 振子在振动过程中,所受重力与支持力平衡,振子在离开平衡位置 O 点后,只受到弹簧的弹力作用,这个力的方向跟振子离开平衡位置的位移方向相反,总是指向平衡位置,所以称为回复力。 胡克定律 在弹簧发生弹性形变时,弹簧振子的回复力F与振子偏离平衡位置的位移x大小成正比,且方向总是相反,即: 式中k是弹簧的倔强系数。负号表示回复力的方向跟振子离开平衡位置的位移方向相反。 物体在受到跟位移大小成正比,而方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动,叫做 谐振动。 谐振动举例: 谐振动的振动图像 其中:A:振幅,最大水平位移 ω:圆频率, :初相位,即t 0时质点的相位 :质点在t时刻的相位 谐振动方程描述了谐振动物体在任意时刻的位移情况。说明谐振动是位移随时间的变化符合余弦(或正弦)规律的振动。 谐振动的特点: 1、回复力与位移成正比而方向相反,总是指向平衡位置。 2、是一种理想化的运动,振动过程中无阻力,所以振动系统机械能守恒。 3、谐振动的振幅、频率和周期保持不变,其频率为振动系统的固有频率,是最简单、最基本的一种振动,任何复杂的振动都可视为多个谐振动的合成。 2、阻尼振动 谐振动是理想条件下的振动,即不考虑摩擦和其它阻力的影响。 任何实际物体的振动,总要受到阻力的作用。由于克服阻力做功,振动物体的能量不断减少。同时,由于在振动传播过程中,伴随着能量的传播,也使振动物体的能量不断地减少。 因此不符合机械能守恒定律。 振幅或能量随时间不断减少的振动称为阻尼振动。 超声探头:晶片后粘贴阻尼块 3、受迫振动 受迫振动:物体受到周期性变化的外力作用时产生的振动。如缝纫机上缝针的振动,汽缸中活塞的振动和扬声器中纸膜的振动等。 其中: :振幅,最大水平位移 :策动力的圆频率T :初相位 3、受迫振动 受迫振动刚开始时情况很复杂,经过一段时间后达到稳定状态,变为周期性的谐振动。其振动频率与策动力频率相同,振幅保持不变。 受迫振动的振幅与策动力的频率有关。 共振:当策动力频率P与受迫振动物体固有频率相同时,振幅最大。 探头:使高频电脉冲的频率等于压电晶片的固有频率,从而产生共振,这时压电晶片的电声能量转换效率最高。 3、受迫振动 受迫振动物体受到策动力作用,不符合机械能守恒。 超声探头中的压电晶片在发射超声波时: 在高频电脉冲激励下产生受迫振动; 在起振后受到晶片背面吸收块的阻尼作用,因此又是阻尼振动。 2.1.2 机械波 1.机械波的产生与传播 振动的传播过程,称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。 机械波的产生与传播过程 如图2-5所示的固体弹性模型。质点间以弹性力联系在一起的介质称为弹性介质。(固体、液体、气体) 当外力F作用于质点A时,A就会离开平衡位置,这时A周围的质点将对A产生弹性力使A回到平衡位置。当A回到平衡位
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